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標(biāo)題: 套膠過(guò)程仿真計(jì)算 [打印本頁(yè)]
作者: 元計(jì)算    時(shí)間: 2013-8-15 15:26
標(biāo)題: 套膠過(guò)程仿真計(jì)算
1.         仿真模型分析
從套膠過(guò)程看,，膠體和外殼發(fā)生相互作用，該仿真過(guò)程是流體和固體耦合計(jì)算的過(guò)程,。耦合計(jì)算前，根據(jù)流體及固體的力學(xué)行為確定計(jì)算模型。下面對(duì)模型中各部分進(jìn)行分析,。
（1）膠體：按照流體力學(xué)的觀點(diǎn),，流體可分為理想流體和實(shí)際流體兩大類，理想流體在流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力,，故稱為非粘性流體,。實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有阻力即內(nèi)摩擦力（或稱剪切力），故又稱為粘性流體,。根據(jù)作用于流體上的剪切應(yīng)力與產(chǎn)生的剪切速率之間的關(guān)系,，粘性流體又可分為牛頓流體和非牛頓流體（如下圖所示）。 牛頓流體的粘性只和溫度有關(guān),，非牛頓流體的粘性除與溫度有關(guān)外,，還與剪切速率和時(shí)間有關(guān)，由所給出的膠體參數(shù),，將膠體定性為不可壓縮非牛頓流體,。
(, 下載次數(shù): 95)   S: ~. ?1 P0 x+ P
圖1 流體的分類
計(jì)算初始狀態(tài)，假定內(nèi)外殼間膠體為充滿狀態(tài),，空氣泡已排空,，不需要考慮膠體自身的接觸計(jì)算，同時(shí)簡(jiǎn)化了計(jì)算工況,，膠體初始厚度即為內(nèi)外殼初始間距,。膠體擠出后暴露于空氣,，外界環(huán)境室溫常壓。
（2）內(nèi)殼：內(nèi)殼材質(zhì)為鋁合金,，套膠過(guò)程中其變形可忽略不計(jì),，因此視為剛性體，也可認(rèn)為是流體計(jì)算的固壁邊界,。
（3）外殼：外殼材質(zhì)為短纖維模壓高硅氧復(fù)合材料,，易開(kāi)裂，容許應(yīng)變較小,，可采用線彈性模型計(jì)算,。
由以上分析，本次仿真過(guò)程可做以下描述：固定內(nèi)殼,，視為流體計(jì)算固壁邊界條件,；外殼以某軸向速度擠壓殼間膠體，并將膠體擠出,，直至達(dá)到給定內(nèi)外殼間距指標(biāo)要求,。在該過(guò)程中，需保證外殼不開(kāi)裂,，并給出外殼的應(yīng)力及應(yīng)變,，檢驗(yàn)應(yīng)力或應(yīng)變是否在容許范圍內(nèi)。
2.         仿真模型與參數(shù)
考慮膠水的速度和應(yīng)力,，以及防熱套的位移和應(yīng)力,，對(duì)膠水和防熱套進(jìn)行耦合計(jì)算,計(jì)算采用的參數(shù)如下：
膠水：動(dòng)力粘度：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給定，隨時(shí)間和剪切速率的變化而變化,。
熱套：彈性模量：1.0*1010pa
泊松比 ：0.34
密度：1.62*103kg/m3
阻尼系數(shù)：0.6
仿真模型（單位：m）：
(, 下載次數(shù): 98) 7 }+ _* o+ g: v3 J7 g: N/ I& P
圖2 計(jì)算模型圖
(, 下載次數(shù): 94) : j4 {3 F# o% z
圖3 模型網(wǎng)格圖
計(jì)算分為初始速度為0.5mm/min 和5mm/min兩種工況,。 模擬膠體在軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)50mm，并設(shè)定膠體最終厚度為0.1mm,，根據(jù)模型尺寸,，假設(shè)膠體的初始厚度為3.03mm。
3.         計(jì)算結(jié)果
1)         工況一（速度為0.5mm/min）
i.              首先根據(jù)非牛頓流體模型計(jì)算流體的壓力,，然后在固體模型中耦合流體計(jì)算得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù),，從而得到防熱套上應(yīng)力應(yīng)變。
計(jì)算結(jié)果諸如以下圖：
# v5 ]8 [8 x6 d3 }4 u% T圖4為最終平衡位置時(shí)膠體上壓力云圖,。
(, 下載次數(shù): 90) % y- j: f( Y, J
圖4 最終位置壓強(qiáng)云圖
(, 下載次數(shù): 113)
: t) H4 e1 x- H- V% ^8 D  W4 A圖5 最終位置壓強(qiáng)p隨軸向變化曲線
    膠體上壓強(qiáng)對(duì)稱分布,，圖5為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)沿軸向變化規(guī)律。
(, 下載次數(shù): 94) ( m$ A: h' n. }4 g- ?
圖6 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置距離的變化曲線
壓強(qiáng)最大值位置是隨著膠體的流動(dòng)而變化的,，為提取壓強(qiáng)的演變過(guò)程,，圖6提取最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)最大值點(diǎn)，追蹤其從離平衡位置50mm位置時(shí)壓強(qiáng)到平衡位置時(shí)壓強(qiáng)的變化過(guò)程。
應(yīng)力表示單位面積上所承受的附加內(nèi)力,，與面積一樣都屬于矢量,，如果受力面積與力的方向垂直稱為正應(yīng)力，以下圖7至圖9分別為在直角坐標(biāo)系下沿各個(gè)方向的應(yīng)力云圖,，圖10為防熱套上合應(yīng)力云圖,。
(, 下載次數(shù): 93)
) Y- h2 k: v4 p9 X- a; i圖7 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 98)
4 I$ W! o# R, \圖8 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 95)
& Z, G, V4 k3 }9 ]: S  I圖9 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 108)
# s8 M1 O4 _9 N) F0 g" H圖10 最終位置防熱套上應(yīng)力云圖
在直角坐標(biāo)中所取單元體為正六面體時(shí)，三條相互垂直的棱邊的長(zhǎng)度在變形前后的改變量與原長(zhǎng)之比,，定義為線應(yīng)變,，以下圖11至圖13分別為沿x,、y,、z方向的線應(yīng)變?cè)茍D，圖14為防熱套上線性合應(yīng)變?cè)茍D,。
(, 下載次數(shù): 108)
  U5 G0 {) a, Q* s, {圖11  最終位置防熱套上x方向應(yīng)變
(, 下載次數(shù): 96) , s3 ~, S- O8 J& j) p% w
圖12 最終位置防熱套上y方向應(yīng)變
(, 下載次數(shù): 90)
- h+ o. _4 v5 H2 M0 ?圖13 最終位置防熱套上z方向應(yīng)變
(, 下載次數(shù): 102)
. c1 I) o+ g; }, X$ D5 p! m圖14 最終位置防熱套上應(yīng)變
以下圖15和圖16分別為在擴(kuò)大十倍和四十倍時(shí)防熱套的變形圖,。
(, 下載次數(shù): 112) , z/ p4 p+ ]" K: c! M8 Z2 M
圖15 擴(kuò)大十倍時(shí)變形圖
(, 下載次數(shù): 98)
  @; z2 v, `8 ^( S  H8 S, d0 l% }圖16 擴(kuò)大四十倍時(shí)變形圖
防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應(yīng)變?cè)茍D如圖17和圖18：
(, 下載次數(shù): 121) 9 K, k" l6 ?6 q
圖17 最終位置時(shí)防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大十倍時(shí)變形圖
(, 下載次數(shù): 95) - _5 `) b) d) U( W8 `+ X
圖18 最終位置時(shí)防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大四十倍時(shí)變形圖
實(shí)驗(yàn)所測(cè)應(yīng)變?yōu)橹芟驊?yīng)變，與所計(jì)算得到的xy方向應(yīng)變吻合,，提取出xy向應(yīng)變?cè)茍D及數(shù)據(jù),，以便于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
(, 下載次數(shù): 91) 0 _  a( q3 E5 ^4 x+ a
圖19 最終位置防熱套上沿周向應(yīng)變及提取點(diǎn)位置
表1 提取點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)
point1
0.011%
Point2
0.052%
Point3
0.0077%
(, 下載次數(shù): 97)
, s" \, t9 `, g* k圖20 最終位置防熱套上周向應(yīng)變沿軸線point1-point3的變化曲線
ii.              膠體速度為0.5mm/min,，改變膠體涂抹均勻度
膠體的涂抹厚度與均勻度會(huì)影響到計(jì)算的結(jié)果,，更改膠體上下的均勻度，設(shè)定初始時(shí)底部膠體厚度為3.03mm,，頂部膠體厚度為1mm,，得到以下結(jié)果。
(, 下載次數(shù): 93) " @; L/ M$ \$ b. V& u
圖21 最終位置壓強(qiáng)云圖
由于頂部出口小,，膠體來(lái)不及流出,，因此壓強(qiáng)在出口位置變大。
以下圖22-圖24分別為沿直角坐標(biāo)系x,、y,、z方向應(yīng)力云圖，圖25為直角坐標(biāo)系下合應(yīng)力云圖,，圖26-圖28為沿直角坐標(biāo)系x,、y、z方向應(yīng)變?cè)茍D,，圖29為直角坐標(biāo)系下合應(yīng)變?cè)茍D,。
(, 下載次數(shù): 106)
5 Z: `3 M* b6 W; S0 }% T# y8 f' M3 Y圖22 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 104)
' p' d1 U$ r% W" a6 o. H圖23 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 117)
" N. C3 \0 {& ~1 {/ l- a' D圖24 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 100)
- V9 e$ q/ T, J2 S' ?+ W圖25 最終位置防熱套合應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 101)
2 r5 E# O7 x0 `) F% H圖26 最終位置防熱套x方向應(yīng)變?cè)茍D
(, 下載次數(shù): 104)
, ]% ^, N9 q7 A# t' R圖27 最終位置防熱套y方向應(yīng)變?cè)茍D
(, 下載次數(shù): 89)
' Y5 O; B$ n. s! G7 w4 v4 m) [* K& t& e圖28 最終位置防熱套z方向應(yīng)變?cè)茍D
(, 下載次數(shù): 94)
1 U+ [1 v# F7 H0 f1 a5 x圖29 最終位置防熱套應(yīng)變?cè)茍D
(, 下載次數(shù): 133) ! n  v: ?+ a- x, ], i( V  M  K/ H
圖30 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變?cè)茍D
(, 下載次數(shù): 88) , V" i) b6 O) [6 G, @1 E9 E0 y
圖31 最終位置防熱套上周向應(yīng)變沿某條軸變化曲線
(, 下載次數(shù): 88) 1 e" b( r9 {* w2 A4 v) f5 ]
圖32 提取點(diǎn)位置示意圖
表2提取點(diǎn)周向應(yīng)變數(shù)據(jù)
point1
0.021%
Point2
0.15%
Point3
0.0014%
2)         工況二（速度為5mm/min）
在其他條件一致的條件下僅改變膠體的流動(dòng)速度，計(jì)算結(jié)果如下：
圖33為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)云圖,，圖34為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)沿軸向變化曲線,，圖35為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)最大點(diǎn)隨著離平衡位置的距離的變化過(guò)程，圖36-圖38為沿直角坐標(biāo)系x,、y,、z方向應(yīng)力云圖,，圖39為防熱套上合應(yīng)力云圖，圖40-圖42為沿直角坐標(biāo)系x,、y,、z方向應(yīng)變?cè)茍D，圖43為防熱套上合應(yīng)變?cè)茍D,。
(, 下載次數(shù): 104)
& x6 P# T' e# _4 T圖33 最終位置壓力云圖
(, 下載次數(shù): 96)
6 w; E0 w; ^5 h- D* ?! n圖34 最終位置p隨軸向變化曲線
(, 下載次數(shù): 98)
" V% Z6 X' I5 Z' r* S% |圖35 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線
(, 下載次數(shù): 92) ' ^' P, C9 }  M) g8 a6 u5 B
圖36 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 102)
6 O. H1 R! f. H! N圖37 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 104) ; C" a( J! p" e0 c: \
圖38 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 93) 4 D- L4 V' K; x2 e
圖39 最終位置防熱套應(yīng)力云圖
(, 下載次數(shù): 90)
, x; g1 |( p+ x/ U4 e圖40 最終位置防熱套x方向應(yīng)變圖
(, 下載次數(shù): 97) ( T" `, c/ @5 [' q
圖41 最終位置防熱套y方向應(yīng)變圖
(, 下載次數(shù): 102) 0 N: F- ]" O- A7 y5 R
圖42 最終位置防熱套z方向應(yīng)變圖
(, 下載次數(shù): 102)
2 K% Z& G5 u0 `! p6 D+ \. ], u圖43 最終位置防熱套應(yīng)變圖
(, 下載次數(shù): 89) 0 A* X- y  G. W. c9 m9 `. |6 k
圖44 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變圖
(, 下載次數(shù): 87) $ ~) c; F; J& I$ _" q+ B2 {
圖45 最終位置防熱套周向應(yīng)變沿軸線變化曲線
以下圖46和圖47分別為在擴(kuò)大十倍和四十倍時(shí)防熱套的變形圖,。
(, 下載次數(shù): 97) # x8 E" a0 ~" P6 e+ N( q! z
圖46 擴(kuò)大十倍變形圖
(, 下載次數(shù): 99)
$ A! T9 b) n, v6 H圖47 擴(kuò)大四十倍變形圖
防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應(yīng)變?cè)茍D如圖48和圖49：
(, 下載次數(shù): 98) % \. `* }2 `( g' c1 E7 Z, _. a4 z+ q# j) F
圖48 沿周向應(yīng)變?cè)茍D及擴(kuò)大十倍變形圖
(, 下載次數(shù): 88)
( w  T& s, h; Z+ r: P7 h圖49 防熱套上應(yīng)變?cè)茍D及擴(kuò)大四十倍變形圖
4.         仿真分析結(jié)論
本次模擬套膠過(guò)程采用流固耦合，將流體計(jì)算得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作為防熱套變形的邊界條件,，計(jì)算分別以膠體流動(dòng)速度為0.5mm/min和5mm/min兩種工況進(jìn)行,，通過(guò)第一種工況速度為0.5mm/min與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，提取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上數(shù)據(jù),，應(yīng)變值如表1所示,，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比在同一數(shù)量級(jí)上。且給定的防熱套上斷裂伸長(zhǎng)率為1.05%,，從計(jì)算數(shù)據(jù)上可以看出,，在此兩種工況下防熱套上所受到的力都還不能致使防熱套開(kāi)裂。
作者: ashin1539    時(shí)間: 2013-8-15 15:48
不得不佩服樓主的耐心,，分析很詳細(xì)
作者: 跪唱征服    時(shí)間: 2014-8-14 08:53
樓主很有心,！



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